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乙醇法制浆是一种新型无污染的有机溶剂制浆技术,具有投资省、无污染、副产物可回收利用、浆得率高、成浆质量好等优点,可以从根本上克服传统碱法制浆的污染大和投资大的问题。同时适用于非木材纤维原料制浆,对缓解我国现阶段原料短缺的问题也有重要意义。
本研究以麦草原料为对象,引入了热置换洗涤工艺,在原有工艺与机理研究的基础上,对自催化乙醇法制浆的蒸煮工艺进行了优化,并对蒸煮历程做了进一步研究。
优化后工艺条件如下:乙醇浓度55%,液比1:10,升温时间40min(从160℃开始升温),最高温度195℃,保温时间60min。蒸煮历程的研究结果表明,通过热置换洗涤可以有效的去除乙醇浆的表面沉积木素,热置换自催化麦草乙醇法制浆的纤维分离点为蒸煮保温40min,在纤维分离点处Kappa价为49.91,蒸煮保温时间应选择在60min左右。同时脱木素历程可以分为两个阶段,从开始脱木素到保温40min为大量脱木素阶段,木素的脱除率可以达到81.5%;残余木素脱除阶段为保温40min到60min。在热置换洗涤过程中,乙醇浆的高硬度和得率的矛盾与传统制浆方法相比显得更为突出。如果在工艺上能实现连续蒸煮,很有可能将乙醇浆的硬度降低到碱法浆的水平。
在蒸煮保温20min、60min、90min时分别取出浆料,分离提纯木素,并根据乙醇浓度范围的不同,对溶出木素进行了分级分离提纯。分离提纯后的木素利用红外光谱(FT-IR)、核磁共振(NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)进行了分析。对纸浆中的残余木素在制浆过程中的结构变化进行了研究,对溶出木素各个级分的结构及分子量进行了研究,对制浆机理进行了探讨。
研究结果表明,热置换麦草乙醇法制浆过程中次生壁木素与胞间层木素同时被脱除。木素的分解以醚键的断裂为主,α-芳醚键较易断裂,β-芳醚键只能部分发生断裂。在α-芳基醚键断裂的同时,有部分β-芳基醚键随着木素碎片溶于乙醇溶液中,而不是保留在浆中发生断裂。乙醇浆中保留了大量的羰基结构,对香豆酸和松柏醛等酯键结构相对稳定,在蒸煮前期,有新的α-羰基结构生成。具有α-羰基的木素经氢氧化钠抽提会发生C<,α>-C<,β>裂解,引起木素降解,α-羰基的存在,是乙醇浆易于漂白的一个重要原因;继续延长保温时间,又有部分被溶出,推测被溶出的这部分羰基主要是以LCC形式与半纤维素连接的阿魏酸。在乙醇法制浆过程中,麦草木素三种基本结构单元中,紫丁香基结构单元最易脱除,并且在纤维表面的沉积木素中,紫丁香基结构单元占有很高的比例。残余木素和溶出木素中都没有发现缩合结构的存在,说明在乙醇制浆过程中,没有发生明显的缩合。
在溶出木素中,低分子量部分中包含了更多的羟基和羰基结构,并且含有更多的紫丁香基结构单元。